BAB III PERANCANGAN ALAT

Transkripsi

1 BAB III PERANCANGAN ALAT 3.1 Diagram Blok Sistem Diagram blok sistem ini menggambarkan secara garis besar bagaimana Internet of Things Gateway bekerja. Ada 3 bagian utama dalam sistem ini. Yang pertama adalah aplikasi pada smartphone yang dibangun sebagai antarmuka kontrol antara manusia dengan piranti yang akan dikontrol, dalam hal ini Arduino YUN. Aplikasi dibangun dengan memanfaatkan widget-widget yang telah disediakan oleh Blynk App. Bagian kedua adalah Blynk Server. Ini adalah aplikasi cloud yang sudah disediakan oleh Tim Blynk. Data-data yang dikirimkan dari Blynk App akan diterima oleh Blynk Server. Data ini kemudian akan diteruskan ke mikrokontroller. Proses ini juga berlaku sebaliknya. Bagian ketiga adalah Arduino YUN yang sudah ditanami dengan Blynk Library. Semua data yang terupdate pada Blynk Server akan dikirimkan ke Blynk Library dan kemudian diteruskan sesuai dengan desain yang sudah ditentukan. Data-data ini bisa berupa kondisi pin fisik Digital atau Analog. Bisa juga data yang dilewatkan melalui Virtual Pin. Protokol komunikasi yang digunakan baik antara Blynk App dengan Blynk Server maupun Blynk Library dengan Blynk Server menggunakan protokol websocket. 42

2 43 Gambar 1 Diagram Blok Sistem 3.2 Perancangan Perangkat Keras Perangkat keras yang digunakan dalam tema tugas akhir ini disusun atas beberapa modul yang saling dihubungkan untuk menjalankan sebuah proses kerja system yang utuh dan menyeluruh. Modul paling utama yang digunakan adalah Arduino YUN. Modul-modul lainnya adalah modul sensor dan modul aktuator. Untuk lebih jelasnya, masing-masing modul apa saja yang digunakan dalam sistem ini dapat dilihat pada gambar di bawah ini dengan penjelasan yang akan dijabarkan pada subbab selanjutnya.

3 44 Gambar 2 Blok Rangkaian IoT Gateway Catu Daya (Power Supply) Catu daya berfungsi untuk memberikan suplai tegangan kerja pada masing-masing rangkaian, sehingga setiap rangkaian/modul dapat bekerja sesuai dengan fungsi masing-masing komponen. Catu daya dipilih yang memiliki kemampuan untuk mensuplai arus yang cukup bagi kebutuhan Arduino YUN maupun modul-modul sensor. Modul-modul sensor mendapatkan tegangan suplai melalui konektor yang terhubung dengan Arduino YUN. Dengan demikian, tidak lagi diperlukan konektor antara sensor dengan catu daya. Tegangan kerja yang diperlukan untuk Arduino YUN menggunakan tegangan sebesar +5V melalui konektor micro-usb. Untuk memenuhi kebutuhan

4 45 catu daya ini, penulis menggunakan adaptor yang umum dijumpai pada saat membeli smartphone. Gambar 3 Catu Daya +5V Rangkaian Arduino YUN Tidak terlalu banyak yang dilakukan pada sisi sistem operasi Open-WRT Arduino YUN. Hanya diperlukan beberapa konfigurasi pada sisi setting koneksi WiFi yakni mengisi user dan password akses point. Pada bagian ini, pembahasan akan lebih di titikberatkan pada antarmuka pin input dan output antara modulmodul sensor dan actuator dengan board Arduino YUN. Untuk memudahkan koneksi antara pin input output pada board Arduino YUN dengan modul sensor, ditambahkan sebuah board ekspansi yang berfungsi untuk menyediakan konektor Grove 4 pin. Board yang digunakan adalah Groove Base Shield produksi dari Seeedstudio.

5 46 Gambar 4 Rangkaian Arduino YUN dan Base Shield Tabel 1 Pin Mapping Pin IO Modul Status D2 DHT11 Sensor Input/Output D4 PIR Sensor Input D5,D6 LED Output D7,D8 Relay Output Modul Pengendali Relay Rangkaian pengendali relay digunakan sebagai saklar elektronik. Sistem pengontrolan berdasarkan output logika yang dikirim melalui pin Arduino YUN. Jika logika 0 dikirimkan melalui pin output, maka relay tak akan bekerja dan kontak tetap berada dalam kondisi terbuka atau dikenal dengan istilah NO (Normally Open). Pada saat logika 1 dikirimkan, relay akan bekerja dan kontak berada pada posisi tertutup.

6 47 Pada tugas akhir ini, rangkaian pengendali relay tidak dibuat sendiri oleh penulis, melainkan menggunakan modul yang telah jadi. Skematik rangkaian yang dipakai dalam modul ini mengacu pada gambar 11. Kontrol relai tidak secara langsung dikemudikan oleh pin output mikrokontroller, tetapi melalui sebuah transistor. Hal ini disebabkan oleh adanya batasan arus output maksimum yang dimiliki pin mikrokontroller. Jika batasan maksimum ini dilewati, mikrokontroller bisa rusak. Transistor menjadi buffer untuk mensuplai arus yang lebih besar bagi relay. Pada titik-titik pin kumparan relay, seperti umumnya sifat induktor, ada sebuah kondisi yang dinamakan reverse voltage. Kondisi ini terjadi pada saat tegangan induksi berubah dari +v menuju 0v. Tegangan balik ini bisa merusak transistor. Untuk mengamankannya digunakan sebuah diode yang dipasang terbalik. Dalam tugas akhir ini, keberadaan kontak relay tidak difungsikan untuk menghubungkan apapun. Pada aplikasi umum, kontak relai ini bisa digunakan untuk mengontrol pompa air, solenoid valve, ataupun perangkat lainnya. Gambar 5 Modul Relay

7 Modul Sensor Suhu dan Kelembapan DHT-11 Modul DHT11 memiliki konektor 3-pin yang terdiri dari ground, data, dan VCC. Pin ground dihubungkan dengan ground, pin power dihubungkan dengan pin 5v, dan pin data dihubungkan dengan pin 2 Arduino YUN. Antara pin data dan VCC ditambahkan sebuah resistor pullup. Dalam modul yang dipakai oleh penulis, resistor pullup ini sudah disertakan. Output yang dihasilkan pada pin data out merupakan baris data digital 40 bits, yang terdiri dari 16 bit data temperature, 16 bit data humidity dan 8 bit data paritas. Library DHT11 telah menyediakan fungsi-fungsi yang diperlukan untuk membaca dan menerjemahkan data-data yang diperlukan. Diagram skematik untuk koneksi sensor DHT11 dengan Arduino YUN digambarkan dalam program fritzing seperti dibawah ini. Gambar 6 Diagram skematik DHT11

8 Modul Sensor PIR Modul sensor PIR memiliki konektor 3-pin pada sisi samping atau bawah. Posisi pinout bisa berbeda-beda tergantung dari pabrikan pembuatnya. Satu pin digunakan untuk ground, pin yang lain merupakan sinyal yang merupakan output dari modul sensor PIR, dan satu pin yang lain lagi merupakan pin untuk catu daya. Untuk tugas akhir ini, penulis menghubungkan pin output dari sensor PIR ke pin 4 Arduino YUN. Tidak dibutuhkan komponen lain untuk menghubungkan sensor pir dengan pin input Arduino YUN mengingat output dari pin sensor ini sudah kompatibel. Cukup dengan tiga buah kabel. Diagram skematik yang menggambarkan hubungan antar modul yang digunakan di tugas akhir ini digambarkan dengan program fritzing dibawah ini. Gambar 7 Diagram skematik Sensor PIR

9 Rangkaian LED Untuk membuat simulasi lampu dalam sebuah rumah, penulis menggunakan LED sebagai medianya. Ada tiga rangkaian LED yang digunakan dalam tugas akhir ini. Masing-masing mewakili tiga fitur yang akan disimulasikan, yakni: ON-OFF, Dimmer, dan Timer. Pada ON-OFF, LED dikondisikan hanya berada pada dua kondisi, yakni hidup atau mati. Tidak lebih. Pada kondisi ON, LED mendapatkan tegangan positif sehingga LED mendapat bias maju. Pada saat kondisi OFF, tidak ada tegangan positif yang akan member bias maju pada LED yang mengakibatkan LED dalam kondisi mati. Simulasi dimmer didapatkan dengan memanfaatkan sinyal PWM yang ada dibeberapa pin output mikrokontroller Arduino. Sinyal control merupakan sebuah nilai diantara 0 hingga 255. Nilai ini linier dengan lebar sinyal positif yang akan dikeluarkan oleh pin PWM. Jika diberikan nilai 0, tak ada lebar pulsa positif yang keluar dari pin PWM sehingga LED akan berada pada kondisi mati. Sebaliknya, jika diberikan nilai 255, pulsa PWM akan berada pada posisi aktif sepenuhnya, sehingga LED pada kondisi nyala terang. Kondisi terang redup LED bergantung pada lebar pulsa. Diagram skematik rangkaian LED yang akan digunakan dalam karya tulis ini digambarkan dengan menggunakan program fritzing seperti dibawah ini.

10 51 Gambar 8 Diagram skematik rangkaian LED Rangkaian Secara Keseluruhan Berikut ini adalah gambar rangkaian secara keseluruhan modul. Gambar 9 Skematik rangkaian keseluruhan

11 Perancangan Perangkat Lunak Pada sub bab ini akan akan membahas tentang perancangan perangkat lunak (software). Perancangan meliputi perancangan kode program untuk perangkat lunak pada sisi mikrokontroller Arduino YUN untuk melakukan beberapa hal seperti deteksi gerakan menggunakan sensor passive infrared sensor (PIR), deteksi suhu dan kelembapan, pengontrolan relay, pengontrolan led serta proses konfigurasi sistem. Perancangan perangkat lunak juga dilakukan pada sisi smartphone dengan menggunakan aplikasi Blynk. Pembahasan lebih lengkap masing-masing proses perancangan perangkat lunak tersebut akan dibahas pada masing-masing subbab berikut: Perancangan Sketch Arduino Yun Kode-kode program yang akan ditanam dalam mikrokontroller Arduino disebut sebagai sketch. Proses perancangan perangkat lunak untuk sisi mikrokontroller Arduino YUN ini menggunakan bantuan Arduino IDE. Penulis menggunakan Arduino IDE versi Dalam melakukan perancangan perangkat lunak diperlukan beberapa library. Dalam hal ini penulis tidak membuat library sendiri melainkan memanfaatkan beberapa library yang sudah tersedia dan dapat digunakan untuk kebutuhan system yang akan dibuat. Beberapa library yang dibutuhkan antara lain:

12 53 Bridge.h : Library ini berfungsi sebagai jembatan komunikasi antara OpenWrt linux dengan mikrokontroller ATmega 32u4 melalui port Serial. Library Bridge.h sudah tersedia dalam paket default Arduino IDE. BlynkSimpleYun.h : Merupakan library Blynk yang memuat berbagai fungsi untuk melakukan konfigurasi, menjembatani komunikasi dengan protocol yang digunakan oleh Blynk Server. Blynk Library bisa didapatkan dengan diunduh melalui link Ada 5 library yang tersedia dalam paket ini. Library-library ini kemudian disalin secara manual kedalam folder ~\Arduino\libraries\. Beberapa library ini antara lain: ~\Arduino\libraries\Blynk ~\Arduino\libraries\BlynkESP8266_Lib ~\Arduino\libraries\Adafruit_NeoPixel ~\Arduino\libraries\SimpleTimer ~\Arduino\libraries\Time SimpleTimer.h : Library ini digunakan untuk menyetel interval pewaktuan pemanggilan fungsi. Satu paket dengan library Blynk. Dalam perancangan sketch Arduino, prosedur penulisan terdiri dari beberapa blok. Urutan blok-blok ini sebagian harus tunduk pada ketentuanketentuan tertentu dan sebagian yang lain bisa bebas.

13 54 A. Memuat dan memanggil Library: Proses pemuatan dan pemanggilan library yang diperlukan dilakukan pada bagian awal penulisan sketch. Hal ini untuk memastikan semua fungsi yang berhubungan dan diperlukan telah dimuat. #include <Bridge.h> #include <BlynkSimpleYun.h> #include <SimpleTimer.h> #include <DHT.h> B. Mendefinisikan variabel #define DHTPIN 2 // Mendefinisikan pin yang akan digunakan untuk sensor DHT11 #define DHTTYPE DHT11 yang digunakan // Mendefinisikan tipe sensor C. Mendeklarasikan dan inisialisasi variabel // Auth Token yang didapatkan pada saat memabangun antarmuka di Blynk App. // Lihat di Project Setting. char auth[] = "b554aad7219d4f4f8b6daaae9c6e43af"; int pirpin = 4; pin untuk sensor PIR int pirstate = LOW; kondisi sensor PIR int val = 0; variabel val // Deklarasi dan inisialisasi // Deklarasi dan inisialisasi // Deklarasi dan inisialisasi // Deklarasi dan inisialisasi variabel-variabel untuk simulasi siklus air bersih int jumlahairtorn = 0, batasbawah = 0, batasatas = 250, statuspompa = 0, statuskrandepan = 0, statuskranbelakang = 0;

14 55 WidgetLED pir(v1); // Deklarasi dan registrasi pin virtual V1 sebagai WidgetLED WidgetLCD lcd(v2); // Deklarasi dan registrasi pin virtual V2 sebagai WidgetLCD DHT dht(dhtpin, DHTTYPE); SimpleTimer timer; D. Fungsi untuk membaca dan mengirimkan data dari sensor suhu dan kelembapan DHT11 ke Blynk Server. void sendsensor() { float h = dht.readhumidity(); float t = dht.readtemperature(); if (isnan(h) isnan(t)) { Serial.println("Pembacaan sensor gagal!"); return; Blynk.virtualWrite(V5, h); Blynk.virtualWrite(V6, t); E. Fungsi untuk membaca kondisi sensor PIR dan mengirim peringatan ke WidgetLCD di Blynk App melalui Blynk Server. void sensorpir() { val = digitalread(pirpin); if (val == HIGH) { if (pirstate == LOW) {

15 56 pir.on(); pirstate = HIGH; sendwarning(); else { if (pirstate == HIGH) { pir.off(); lcd.clear(); pirstate = LOW; void sendwarning() { lcd.clear(); lcd.print(4,0,"ada TAMU"); lcd.print(2,1,"pintu DEPAN"); F. Selain fungsi-fungsi yang berhubungan dengan pin input output secara langsung, yakni yang menggunakan sensor, penulis juga membuat sebuah simulasi yang berhubungan dengan kerja penggunaan air bersih dalam sebuah rumah. Fungsi-fungsi ini dibuat dengan memanfaatkan pin-pin virtual. void isitorn() { // Fungsi ini digunakan untuk mengisi air bersih ke torn setiap 1 detik.

16 57 // dengan kapasitas maksimal 250 liter. if ((jumlahairtorn < batasatas) && (statuspompa == 1)) jumlahairtorn = jumlahairtorn + 5; if (jumlahairtorn <= batasbawah) { statuspompa = 1; Blynk.virtualWrite(V13, "POMPA ON"); if (jumlahairtorn >= batasatas) { statuspompa = 0; Blynk.virtualWrite(V13, "POMPA OFF"); void siramtaman() { if ((statuskrandepan == 1) (statuskranbelakang == 1)) jumlahairtorn = jumlahairtorn - statuskrandepan - statuskranbelakang; BLYNK_READ(V10) { Blynk.virtualWrite(V10, jumlahairtorn); BLYNK_WRITE(V11) {

17 58 batasatas = param.asint(); BLYNK_WRITE(V12) { batasbawah = param.asint(); BLYNK_WRITE(V14) { statuskrandepan = param.asint(); BLYNK_WRITE(V15) { statuskranbelakang = param.asint(); G. Melakukan persiapan dan penyetelan untuk mikrokontroller void setup() { Serial.begin(9600); // Memonitor status di Serial Monitor pinmode(pirpin, INPUT); Blynk.begin(auth); dht.begin(); // Melakukan setup fungsi yang akan dipanggil setiap 1 detik timer.setinterval(1000l, sendsensor);

18 59 timer.setinterval(1000l, sensorpir); timer.setinterval(1000l, isitorn); timer.setinterval(1000l, siramtaman); H. Membuat kode program yang akan di looping terus menerus pada mikrokontroller. void loop() { Blynk.run(); // Menjalankan Blynk timer.run(); //Menjalankan Timer I Perancangan Aplikasi Dashboard IoT Pembuatan aplikasi dashboard IoT dilakukan dengan menginstall aplikasi Blynk pada smartphone. Aplikasi ini tersedia baik untuk platform ios maupun Android. Dalam hal ini, penulis menggunakan aplikasi yang ada pada platform ios dengan smartphone iphone4. Instalasi Blynk dilakukan melalui aplikasi App Store yang ada pada iphone4. Setelah aplikasi terinstall dengan baik dan lancar, hal pertama kali yang akan diminta adalah membuat account baru. Username dan password digunakan untuk login ke aplikasi Blynk. Setelah login berhasil, maka pembuatan dashboard internet of things siap dilakukan.

19 60 Gambar 10 Create New Account Gambar 11 Create New Project Untuk mengakomodir semua kebutuhan kontrol sebuah rumah pintar, dibutuhkan banyak widget untuk berbagai macam piranti seperti lampu, sensor deteksi keamanan, pompa, dan sensor-sensor lain yang mungkin diperlukan. Salah satu kelebihan aplikasi Blynk adalah adanya widget Tabs yang bisa digunakan untuk mengakomodir kebutuhan tersebut.

20 61 Mulai membuat proyek baru. Untuk memulai pembuatan dashboard dilakukan dengan melalui menu Create New Project dan mengisi parameter-parameter yang diperlukan sesuai dengan piranti yang akan digunakan. Gambar 12 Setting New Project Membuat Tabs Salah satu fitur yang menarik dari aplikasi Blynk adalah kemampuannya untuk mensiasati keterbatasan ukuran layar pada smartphone dengan mengelompokkan berbagai macam widget control menurut kategori yang diinginkan. Dalam tugas akhir ini, penulis mengelompokkan kontrol-kontrol ini menjadi tiga, yakni: lingkungan, lampu dan keamanan, serta air bersih.

21 62 Gambar 13 Membuat Tabs Mengisi Tab LINGKUNGAN Tab lingkungan diisi dengan berbagai macam widget yang digunakan untuk menampilkan data-data yang dihasilkan oleh sensor suhu dan kelembapan DHT11. Seperti yang ditunjukkan pada gambar 29. Widget yang digunakan dalam Tab ini adalah Gauge untuk menampilkan informasi suhu dan kelembapan, serta History Graph untuk menampilkan data suhu dan kelembapan dalam bentuk history, nilai-nilai sebelumnya yang tercatat.

22 63 Gambar 14 Display Tab Lingkungan Proses pembuatan masing-masing widget pada tab LINGKUNGAN ini dijelaskan masing-masing sebagai berikut: Gambar 15 Temperature Gauge

23 64 Pada gauge value diisi dengan nama label Temperature. Untuk PIN diisi dengan pin virtual V6. Nilai batas bawah dan batas atas ditetapkan pada nilai 0 dan 100. Frekuensi refresh tetap pada nilai default 1 detik. Gambar 16 Humidity Gauge Pada gauge value diisi dengan nama label Humidity. Untuk PIN diisi dengan pin virtual V5. Nilai batas bawah dan batas atas ditetapkan pada nilai 0 dan 100. Frekuensi refresh tetap pada nilai default 1 detik.

24 65 Gambar 17 History Graph Untuk History Graph, pin diisi dengan V6 dan labelnya diisi dengan Temperature. Untuk pin V5, labelnya diisi dengan Humidity. Legenda ditaruh pada posisi on. Mengisi Tab LAMPU DAN KEAMANAN Tab LAMPU dan KEMANAN diisi dengan kelompok widget yang digunakan untuk mengontrol kondisi lampu dan informasi yang berasal dari sensor PIR. Widget-widget yang digunakan dalam tab ini antara lain: lcd, slider, timer, dan button. Gambar 33 menunjukkan letak masing-masing widget pada tab ini.

25 66 Gambar 18 Tab Lampu dan Keamanan Proses pembuatan masing-masing widget pada tab LAMPU DAN KEAMANAN ini dijelaskan masing-masing sebagai berikut: Gambar 19 Setting LCD widget Pada LCD setting, posisi ditaruh pada advanced, pin menggunakan pin virtual V2. Warna teks dan layar dibiarkan default.

26 67 Gambar 20 Setting slider lampu Label pada slider diisi dengan K. DEPAN untuk menggambarkan posisi kamar depan. Pin menggunakan pin D5. Nilai batas bawah dan batas atas merupakan nilai pwm. Diset pada posisi 0 dan 255. Nilai dikirim saat posisi sentuhan lepas. Gambar 21 Setting timer lampu

27 68 Label pada timer diisi dengan lampu. Pin menggunakan pin D8. Nilai-nilai waktu on dan off diset pada field start dan stop. Gambar 22 Button setting Label pada button diisi dengan K. BELAKANG. Pin menggunakan pin D6. Mode dipilih switch. Label status yang ingin ditampilkan menggunakan on-off. Mengisi Tab AIR BERSIH Tab AIR BERSIH diisi dengan kelompok widget yang digunakan untuk mensimulasikan siklus pengosongan dan pengisian tangki air bersih. Gambar 38 menunjukkan letak masing-masing widget pada tab ini

28 69 Gambar 23 Tab Air Bersih Proses pembuatan masing-masing widget pada tab AIR BERSIH ini dijelaskan masing-masing sebagai berikut: Gambar 24 Slider batas atas pengisian Label pada slider diisi dengan BATAS ATAS PENGISIAN. Pin menggunakan pin virtual V11. Nilai batas bawah dan batas atas merupakan nilai pwm. Diset pada posisi 0 dan 255. Nilai dikirim saat posisi sentuhan lepas.

29 70 Gambar 25 Slider batas bawah pengisian Label pada slider diisi dengan BATAS BAWAH PENGISIAN. Pin menggunakan pin virtual V12. Nilai batas bawah dan batas atas merupakan nilai pwm. Diset pada posisi 0 dan 255. Nilai dikirim saat posisi sentuhan lepas. Gambar 26 Gauge tangki air

30 71 Pada gauge value diisi dengan nama label TANGKI AIR. Untuk PIN diisi dengan pin virtual V10. Nilai batas bawah dan batas atas ditetapkan pada nilai 0 dan 250. Frekuensi refresh tetap pada nilai default 1 detik. Gambar 27 Label status pompa Label diberi nama STATUS. Untuk PIN diisi dengan pin virtual V13. Nilai batas bawah dan batas atas ditetapkan pada nilai 0 dan Label /pin/ menunjukkan nilai akan ditampilkan apa adanya tanpa format sebagaimana yang dikirimkan oleh mikrokontroller.

31 72 Gambar 28 Kran taman depan Label pada button diisi dengan TAMAN DPN. Pin menggunakan pin virtual V14. Mode dipilih switch. Label status yang ingin ditampilkan menggunakan on-off. Gambar 29 Kran taman depan

32 73 Label pada button diisi dengan TAMAN BLK. Pin menggunakan pin virtual V15. Mode dipilih switch. Label status yang ingin ditampilkan menggunakan on-off. Tabel 3 berikut ini menggambarkan status dari setiap widget yang ada pada tab air bersih dalam waktu 10 detik dengan asumsi mengabaikan waktu tunda kondisi jaringan internet. WAKTU (detik) KRAN TAMAN DEPAN Tabel 2 Status widget air bersih KRAN TAMAN BELAKANG STATUS POMPA VOLUME TANGKI BATAS BAWAH BATAS ATAS 1 OFF OFF OFF ON OFF OFF ON OFF OFF ON ON OFF ON ON OFF ON ON OFF ON ON ON ON ON ON OFF OFF ON OFF OFF OFF